蔡 牧 昌小朋

（中國(guó)能源建設(shè)集團(tuán)華中電力試驗(yàn)研究院有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410000）

0 引言

新疆地區(qū)有大量煤礦，隨著國(guó)內(nèi)西部大開發(fā)的進(jìn)展，電力行業(yè)得到了很大發(fā)展。由于水資源較少，為了節(jié)省水資源，新疆地區(qū)興建了很多大型超直流空冷機(jī)組。該文主要內(nèi)容是研究一種超臨界直接空冷機(jī)組帶大氣擴(kuò)容式的啟動(dòng)系統(tǒng)疏水系統(tǒng)改造方案，通過(guò)對(duì)改造前后機(jī)組運(yùn)行方式上的參數(shù)變化、燃料以及工質(zhì)消耗量、汽輪機(jī)沖車所需蒸汽參數(shù)控制難易程度進(jìn)行對(duì)比分析和總結(jié)，希望可以為同類型機(jī)組疏水改造提高參考和借鑒。

1 疏水系統(tǒng)的改造方法

1.1 改造項(xiàng)目主要設(shè)備參數(shù)

新疆某350MW超臨界機(jī)組鍋爐為哈爾濱鍋爐廠有限責(zé)任公司，超臨界，一次中間再熱、單爐膛平衡通風(fēng)、∏型布置、固態(tài)排渣。最大連續(xù)蒸發(fā)量1191t/h，額定壓力25.5MPa，額定溫度571℃。再熱蒸汽/蒸汽流量991.44t/h～940.89t/h，額定進(jìn)/出口壓力4.187MPa～4.007MPa，額定進(jìn)/出口溫度311℃～569℃，保證熱效率≥93.8%。

汽輪機(jī)為超臨界、單軸、雙缸雙排汽、一次中間再熱、直接空冷抽汽凝汽式汽輪機(jī)，額定功率350MW，設(shè)計(jì)背壓12.0kPa，額定轉(zhuǎn)速3000r/min，主汽溫度566℃，主汽壓力24.2MPa。

1.2 鍋爐啟動(dòng)疏水系統(tǒng)的特點(diǎn)

直流鍋爐啟動(dòng)系統(tǒng)主要有兩大類型，即帶爐水循環(huán)泵的啟動(dòng)系統(tǒng)和不帶爐水循環(huán)泵的啟動(dòng)系統(tǒng)。本次參與改造的機(jī)組鍋爐啟動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)為大氣擴(kuò)容式疏水系統(tǒng)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)一臺(tái)大氣式疏水?dāng)U容器，有兩臺(tái)啟動(dòng)疏水泵。在機(jī)組啟動(dòng)初期疏水不合格時(shí)，汽水混合物經(jīng)汽水分離器分離后，其蒸汽進(jìn)入對(duì)流換熱系統(tǒng)，分離出的爐水經(jīng)大氣式擴(kuò)容器擴(kuò)容，二次汽排入大氣，剩余的疏水經(jīng)集水箱排至系統(tǒng)外的水處理裝置（機(jī)組排水槽或循環(huán)水回水排水管）。水質(zhì)合格時(shí)，通過(guò)疏水泵排至熱井裝置，實(shí)現(xiàn)工質(zhì)的回收。該系統(tǒng)的主要特點(diǎn)是系統(tǒng)相對(duì)簡(jiǎn)單、投資較少、運(yùn)行操作較方便，但燃料耗量相對(duì)較大，鍋爐蒸汽溫度控制難度較大。

1.3 改造后的疏水系統(tǒng)

原始系統(tǒng)如圖1（a）所示，改造后的系統(tǒng)如圖1（b）所示，整個(gè)改造無(wú)須復(fù)雜的設(shè)計(jì)，施工難度也較低。如果是新建機(jī)組在設(shè)計(jì)初期即可采用此種疏水回收方式。主要的改造思路是在鍋爐啟動(dòng)疏水泵至熱井裝置管道截止門前增加一路管道引至除氧器，同時(shí)增加相應(yīng)的附屬設(shè)備，如逆止閥、流量計(jì)等，在啟動(dòng)期間可以選擇將鍋爐的高溫啟動(dòng)疏水回收至除氧器。

圖1 鍋爐大氣擴(kuò)容式啟動(dòng)系統(tǒng)改造前后對(duì)比圖

改造過(guò)后的疏水回收標(biāo)準(zhǔn)主要根據(jù)分離器水質(zhì)情況。Fe離子＞1000μg/L時(shí)，進(jìn)行外排；Fe離子＜1000μg/L，可以排放至熱井裝置；Fe離子＜200μg/L，可以回收到除氧器。由于除氧器水箱容積大，可以接受的疏水量非常大，啟動(dòng)疏水參數(shù)也在除氧器的設(shè)計(jì)參數(shù)范圍內(nèi)。為防止機(jī)組啟動(dòng)過(guò)程中除氧器本體產(chǎn)生較大的振動(dòng)及噪聲，啟動(dòng)疏水應(yīng)該采用大直徑接管母管伸入除氧器液面以下，在母管前、后方位對(duì)稱布置兩排開了小孔的支管。支管的布置盡量均勻，保證介質(zhì)的平穩(wěn)流動(dòng)，能夠有較好的熱交換效果，有效防止振動(dòng)和消除、降低噪聲[1]。

2 改造后對(duì)高寒地區(qū)空冷機(jī)組運(yùn)行的影響

2.1 高寒地區(qū)冬季極寒情況下空冷機(jī)組正常的啟動(dòng)流程

在環(huán)境溫度＞5℃時(shí)，機(jī)組啟動(dòng)時(shí)可以不采用冬季工況；在環(huán)境溫度＜5℃時(shí)，機(jī)組啟動(dòng)時(shí)可以采用冬季工況。啟動(dòng)階段，空冷島要保證排汽裝置進(jìn)汽量在規(guī)定的范圍內(nèi)，防止空冷島內(nèi)散熱翅片結(jié)冰或冷凝回水管道結(jié)凍損壞設(shè)備。在機(jī)組啟動(dòng)初期流量較低的情況下，汽機(jī)通過(guò)高低旁減溫水以及排汽裝置三級(jí)減溫水來(lái)冷卻啟動(dòng)過(guò)程中的蒸汽，一般要求控制凝結(jié)水溫度在50℃左右。此時(shí)鍋爐是濕態(tài)運(yùn)行，經(jīng)過(guò)分離器分離出來(lái)的啟動(dòng)疏水經(jīng)過(guò)大氣擴(kuò)容器后，如果水質(zhì)不合格就直接通過(guò)排放系統(tǒng)進(jìn)行排放，合格后會(huì)根據(jù)運(yùn)行情況部分或者全部回收到熱井裝置中。在疏水系統(tǒng)未改造之前，機(jī)組運(yùn)行存在以下隱患：1）在機(jī)組啟動(dòng)初期，鍋爐蒸汽量不滿足空冷島投運(yùn)要求。此階段鍋爐產(chǎn)出的蒸汽沒(méi)有經(jīng)過(guò)空冷島冷凝，通過(guò)高低旁的蒸汽依靠高低旁冷卻水，排汽裝置三級(jí)冷卻水冷卻，冷凝后會(huì)導(dǎo)致凝結(jié)水溫快速上升至60℃左右。同時(shí)經(jīng)過(guò)大氣擴(kuò)容器擴(kuò)容后的疏水溫度在100℃，如果此時(shí)疏水水質(zhì)合格，直接將疏水回收至熱井，會(huì)加劇凝結(jié)水溫度的上升。凝結(jié)水溫如果過(guò)高，超過(guò)了凝結(jié)水精處理裝置投運(yùn)的溫度要求，就會(huì)導(dǎo)致凝結(jié)水精處理裝置無(wú)法投運(yùn)，不利于機(jī)組啟動(dòng)期間提高汽水品質(zhì)，并增加汽水品質(zhì)合格所需時(shí)間。凝結(jié)水溫度過(guò)高也會(huì)為凝泵的安全穩(wěn)定運(yùn)行埋下隱患，有凝結(jié)水泵汽蝕的風(fēng)險(xiǎn)。一般啟動(dòng)初期會(huì)采取將大量的除鹽水置換熱井內(nèi)凝結(jié)水的方式來(lái)調(diào)節(jié)凝結(jié)水溫度，可保護(hù)設(shè)備安全，但會(huì)造成大量的除鹽水浪費(fèi)。2）該文結(jié)合北方極寒地區(qū)常規(guī)直接空冷機(jī)組設(shè)計(jì)調(diào)研，將350MW超臨界直接空冷機(jī)組進(jìn)汽管道布置為6列，在兩側(cè)4列管道上，每列均會(huì)布置一個(gè)防凍蝶閥，中間2列作為啟動(dòng)列，不設(shè)計(jì)防凍蝶閥。真空與飽和溫度對(duì)照?qǐng)D如圖2所示。結(jié)合機(jī)組常規(guī)設(shè)計(jì)，在機(jī)組啟動(dòng)初期，在-70kPa真空環(huán)境下，當(dāng)排汽溫度高于70℃時(shí)，排汽裝置中就會(huì)有部分蒸汽進(jìn)入空冷島；在-80kPa真空環(huán)境下，當(dāng)排汽溫度高于61℃時(shí)，排汽裝置中就會(huì)有部分蒸汽進(jìn)入空冷島[2]。在極寒地區(qū)冬季環(huán)境下，機(jī)組啟動(dòng)初期蒸汽流量一般不滿足空冷島最小啟動(dòng)流量，此時(shí)如果凝結(jié)水溫過(guò)高，會(huì)降低高低旁冷卻水以及排汽裝置三級(jí)冷卻器的冷卻效果。同時(shí)過(guò)高的溫度也容易產(chǎn)生蒸汽，會(huì)增加蒸汽進(jìn)入機(jī)組空冷島，引起空冷島翅片和回水管結(jié)凍的風(fēng)險(xiǎn)。

圖2 真空與飽和溫度對(duì)照?qǐng)D

基于以上兩點(diǎn)原因，啟動(dòng)期間應(yīng)及時(shí)疏水達(dá)到回收標(biāo)準(zhǔn)，而一般也不會(huì)將疏水全部回收，而是根據(jù)情況選擇排放掉一部分或者全部排放掉可以回收的疏水，造成工質(zhì)和燃料浪費(fèi)。

2.2 疏水系統(tǒng)改造后機(jī)組啟動(dòng)運(yùn)行變化和帶來(lái)的好處

直流鍋爐啟動(dòng)流量直接影響啟動(dòng)的安全性和經(jīng)濟(jì)性，啟動(dòng)流量越大，工質(zhì)流經(jīng)受熱面的質(zhì)量流速也大，對(duì)受熱面進(jìn)行冷卻，對(duì)改善水動(dòng)力特性有利，但工質(zhì)損失和熱量損失也相應(yīng)增加，同時(shí)啟動(dòng)旁路系統(tǒng)的設(shè)計(jì)容量也要加大。但啟動(dòng)流量過(guò)小，受熱面冷卻和水動(dòng)力穩(wěn)定就得不到保證。因此，選用啟動(dòng)流量的原則是在保證受熱面得到可靠冷卻和工質(zhì)流動(dòng)穩(wěn)定的條件下，啟動(dòng)流量盡可能選擇得小些，這需要制造廠核算提供鍋爐啟動(dòng)過(guò)全程中最小給水流量，流量隨著鍋爐熱負(fù)荷不同而變化，運(yùn)行控制高于最小給水流量且留有裕度[3]。疏水系統(tǒng)經(jīng)過(guò)改造后的啟動(dòng)初期，水質(zhì)達(dá)到回收標(biāo)準(zhǔn)后通過(guò)疏水泵進(jìn)行回收，根據(jù)排汽裝置的溫度真空、熱井水溫等參數(shù)情況來(lái)調(diào)整疏水進(jìn)入熱井和除氧器的比例，可為機(jī)組運(yùn)行安全性和經(jīng)濟(jì)性帶來(lái)以下幾點(diǎn)好處。

首先，在鍋爐啟動(dòng)初期濕態(tài)運(yùn)行工況下，經(jīng)過(guò)分離器的疏水經(jīng)大氣擴(kuò)容器擴(kuò)容后的疏水溫度一般接近100℃。350MW機(jī)組啟動(dòng)初期，每小時(shí)經(jīng)過(guò)大氣擴(kuò)容器降溫后的疏水在100t/h以上，直接排放會(huì)造成大量熱量和工質(zhì)的浪費(fèi)。這部分疏水如果回收至除氧器可以提高除氧器水溫，水溫提高后可以提高鍋爐產(chǎn)汽率，進(jìn)而節(jié)省燃料。除氧器的水溫提高也會(huì)降低啟動(dòng)初期除氧器的輔助蒸汽使用量，有利于節(jié)約成本。

其次，機(jī)組冷態(tài)啟動(dòng)曲線如圖3所示，根據(jù)圖3可知，機(jī)組沖車前需要控制汽壓在8.73MPa，汽溫在380℃以下。由于啟動(dòng)系統(tǒng)是大氣擴(kuò)容式，在保證最小流量的情況下，大量工質(zhì)會(huì)排放掉，造成熱量損失，鍋爐產(chǎn)汽量比帶有爐水循環(huán)泵的機(jī)組更少，過(guò)熱器沒(méi)有足夠的蒸汽量來(lái)進(jìn)行冷卻，在同等蒸汽壓力情況下需要消耗更多燃料來(lái)維持蒸汽壓力。因?yàn)殡S著燃料量的增加，煙氣量也同步增加，蒸汽溫度難以控制在汽輪機(jī)啟動(dòng)所需范圍。對(duì)此，一般的措施是在保障水冷壁安全的前提下，解除最小給水量保護(hù)，降低給水量，減少通過(guò)疏水系統(tǒng)損失的熱量，讓更多的水在水冷壁直接吸熱轉(zhuǎn)化成蒸汽，增加產(chǎn)汽量，冷卻過(guò)熱器。同時(shí)通過(guò)調(diào)整風(fēng)量和火焰中心高度，讓鍋爐輻射吸熱和對(duì)流吸熱保持合理的比例，共同控制蒸汽溫度。解除保護(hù)、減少給水屬于違背廠家技術(shù)要求，有一定的水冷壁超溫風(fēng)險(xiǎn)。疏水系統(tǒng)改造之后，因?yàn)槭杷厥罩脸跗鲿?huì)提高鍋爐給水溫度，鍋爐產(chǎn)汽量會(huì)增加，達(dá)到?jīng)_車所需的蒸汽參數(shù)，鍋爐所用燃料量會(huì)減少，煙氣量下降，所以鍋爐蒸汽溫度會(huì)更容易控制，便于機(jī)組啟動(dòng)。給水流量也可控制在相對(duì)安全的范圍內(nèi)，降低水冷壁超溫風(fēng)險(xiǎn)。

最后，對(duì)高寒地區(qū)的空冷機(jī)組而言，在冬季工況下，在機(jī)組啟動(dòng)初期流量較低的情況下，汽機(jī)通過(guò)高低旁減溫水以及排汽裝置三級(jí)減溫水來(lái)冷卻啟動(dòng)過(guò)程中的蒸汽。因?yàn)槭杷到y(tǒng)改造后可以將水質(zhì)合格的疏水部分回收至除氧器，提高給水溫度，減少燃料用量，所以鍋爐可以更好地控制啟動(dòng)初期的蒸汽參數(shù)，主蒸汽溫度比改造之前更容易控制，可以保證新蒸汽溫度在380℃以下，達(dá)到圖3中要求的啟動(dòng)溫度。由于蒸汽溫度降低，高低旁減溫水以及三級(jí)減溫水可以控制熱井凝結(jié)水溫度不超過(guò)50℃，因此可以保護(hù)凝結(jié)水泵，維持精處理裝置連續(xù)投運(yùn)，減少因凝結(jié)水溫度高，熱井用除鹽水進(jìn)行置換所造成的工質(zhì)浪費(fèi)。因?yàn)闊峋疁囟鹊停瑫r(shí)高溫疏水回收至熱井水量少，排汽裝置內(nèi)蒸汽量少，在極寒天氣環(huán)境下，可以降低機(jī)組冷態(tài)啟動(dòng)階段空冷島翅片和回水管結(jié)凍的風(fēng)險(xiǎn)。

圖3 機(jī)組冷態(tài)啟動(dòng)曲線

3 結(jié)語(yǔ)

超臨界直流空冷機(jī)組帶大氣擴(kuò)容式的啟動(dòng)系統(tǒng)疏水經(jīng)過(guò)改造后，在機(jī)組啟動(dòng)期間能夠明顯減少燃料消耗，提高經(jīng)濟(jì)性，降低機(jī)組啟動(dòng)過(guò)程中蒸汽參數(shù)控制的難度，在極寒地區(qū)能夠降低空冷機(jī)組空冷島凍結(jié)風(fēng)險(xiǎn)，利于機(jī)組在寒冷天氣啟動(dòng)。除氧器運(yùn)行壓力較高，為防止除氧器內(nèi)蒸汽泄露到啟動(dòng)系統(tǒng)，改造中應(yīng)當(dāng)選擇高質(zhì)量的手動(dòng)及電動(dòng)截止閥、逆止閥。啟動(dòng)疏水量比較大，回收至除氧器容易發(fā)生熱沖擊，產(chǎn)生振動(dòng)和噪聲，在改造過(guò)程中考慮除氧器的安全運(yùn)行，改造要增加啟動(dòng)疏水和除氧器內(nèi)部原有工質(zhì)的熱交換設(shè)計(jì)，以保證疏水平緩進(jìn)入除氧器。